WO2017198776A1 - Bauelement mit erhöhter effizienz und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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WO2017198776A1
WO2017198776A1 PCT/EP2017/062000 EP2017062000W WO2017198776A1 WO 2017198776 A1 WO2017198776 A1 WO 2017198776A1 EP 2017062000 W EP2017062000 W EP 2017062000W WO 2017198776 A1 WO2017198776 A1 WO 2017198776A1
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semiconductor layer
barrier structure
active zone
type semiconductor
layer
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PCT/EP2017/062000
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Thomas LEHNHARDT
Werner Bergbauer
Jürgen OFF
Lise LAHOURCADE
Philipp Drechsel
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Definitions

  • the present application relates to a device with
  • One object is to provide a device with increased efficiency. Another task is an efficient one
  • this has a semiconductor layer sequence with an active zone.
  • the active zone is in particular for production
  • the active zone has a multiple quantum well structure with a plurality of quantum barrier layers and
  • the active zone is between a p-side and an n-side of the device, disposed between a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer of the semiconductor layer sequence.
  • the semiconductor layer sequence is based in particular on a III-V compound semiconductor material. It is also possible for the semiconductor layer sequence to be based on an II-VI compound semiconductor material.
  • the device is an opto-electronic device, such as a light-emitting diode (LED). To achieve high efficiency of the device it is
  • the device is in the region of the active zone on the part of the p-type
  • Semiconductor layer at least one or a plurality of
  • the depression in particular has a decreasing cross-section.
  • the recess is designed approximately V-shaped.
  • the indentation has the shape of an inverse pyramid, for example of hexagonal cross section and about six facets, of an inverse truncated pyramid, an inverse one
  • a plurality of depressions may be formed by one or a plurality of V-defects (English: V-pits).
  • V-defects English: V-pits.
  • Such a V defect in the semiconductor layer sequence can by Setting suitable growth parameters such as growth rate in an epitaxy process, temperature or pressure in an epitaxial reactor and / or type, and
  • Concentration of the doping and / or material composition can be generated approximately with respect to the III-V or II-VI material ratio in the individual layers of the semiconductor layer sequence.
  • the depression has a lateral surface approximately in the form of facets, which in particular form inner walls of the depression.
  • the facets are arranged at an angle to each other.
  • adjacent facets can therefore be angled to each other.
  • adjacent facets can therefore be angled to each other.
  • the facets as a whole form a substantially continuously differentiable inner surface of the recess, such as when the recess has the shape of an inverse cone or a truncated cone.
  • the active zone has a main area that runs essentially parallel to a c-area of the semiconductor layer sequence.
  • the main area of the active zone is a c-area.
  • a c-surface ie (0001) -face, a crystal surface with a c-direction, so with a ⁇ 0001> - crystal orientation, called.
  • a main surface of a layer is generally understood to mean a main extension surface of the layer, the main surface being the surface
  • Direction is understood to mean a direction, in particular perpendicular to the main surface of the active zone or the Semiconductor layer sequence is directed.
  • the vertical direction is parallel to a growth direction of the approximately epitaxially grown semiconductor layer sequence of the component. Under a lateral direction becomes a
  • Main surface of a substrate such as a growth substrate be applied epitaxially.
  • the substrate can be
  • the layers of the semiconductor layer sequence can thus have a c-surface, ie a (0001) surface, as the main surface.
  • the major area of the active zone is a c-area.
  • the growth direction of the semiconductor layer sequence is directed perpendicular to the main surface of the substrate or to the c-surface.
  • the direction of growth is in particular parallel to the c-direction, ie to the ⁇ 0001> crystal orientation of the semiconductor layer sequence.
  • the substrate may be formed of Si or Sic or glass.
  • the main surface of the substrate may be different from a c-surface. According to at least one embodiment of the component, this has a barrier structure.
  • the barrier structure In particular, the
  • the barrier structure on one of the n-type semiconductor layer facing away from main surface of the active zone, ie on the p- Side of the active zone arranged.
  • the barrier structure preferably extends at least partially in conformity with the facets of the depression or depressions.
  • Barrier structure may be a plurality of alternating
  • the materials of the first and second layers are selected in terms of their band gap structure such that the barrier structure in particular as a barrier for
  • Charge carrier is formed.
  • the first charge carrier is formed.
  • Barrier structure on a plurality of alternately arranged AlGaN and GaN layers or AlGaN and InGaN layers.
  • the barrier structure can be considered part of
  • the barrier structure is preferably designed in such a way that the barrier structure prevents or at least impedes passage of negatively and / or positively charged charge carriers through the barrier structure. It is possible for the barrier structure to be designed, for example, by suitable doping or by varying the layer thickness such that the
  • the barrier structure is preferably designed such that the holes can be injected through the barrier structure into the active zone, in particular with regard to their material composition and / or doping and / or layer thickness.
  • this has a semiconductor layer sequence with a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer and an intermediate active zone.
  • Recesses are formed in the region of the active zone on the part of the p-type semiconductor layer, each having depressions which extend obliquely to a main area of the active zone.
  • the p-type semiconductor layer extends into the recesses.
  • the component has a barrier structure arranged in particular on the main surface of the active zone facing the p-type semiconductor layer. The active zone is thus arranged between the barrier structure and the n-type semiconductor layer.
  • the component with respect to the p-type semiconductor layer and the barrier structure is designed such that during operation of the device injection positively charged charge carriers on the main surface in the active zone is specifically made difficult, creating a Injection of positively charged carriers via the facets of the wells in the active zone is favored.
  • the holes from the p-type semiconductor layer can be effectively injected via the approximately obliquely formed facets of the depressions into different regions of the active zone, in particular into different quantum well layers stacked one on top of the other in the vertical direction P-type semiconductor layer arranged
  • Quantum well layers are energized better, since the holes previously not about the closer to the p-type
  • Quantum barrier layers must be injected through.
  • Wells are injected into different quantum well layers of the active zone.
  • the current flow in the active zone is therefore deliberately reduced in the areas on the c surface. Rather, the current flow focuses more on the areas of the wells.
  • the density of the holes remains substantially the same across all the quantum well layers, that is to say in the entire active zone. Due to the targeted prevention or blocking of a passage of the holes over the main surface of the active zone in the active zone, the probability of injection of positively charged charge carriers in the n-side, further arranged by the p-type semiconductor layer quantum well layers is increased, so that the charge carrier density the holes in the spaced from the p-side Area of the active zone is increased, causing the
  • Distribution of the holes in the active zone is particularly homogeneous, namely in particular along the vertical direction, designed and the efficiency of the device is thereby increased. With such a design of the component thus takes place a homogenization of the charge carriers at least in the lateral direction.
  • this is designed in such a way that at least 80%, preferably at least 90%, particularly preferably at least 95%, of the zone that has come to the active zone are positive charged charge carriers over the
  • Facets of the wells are injectable into the active zone.
  • the injection of the holes over the main area of the active zone into the active zone can be purposefully impeded or blocked if the barrier structure has an increased layer thickness and / or a different doping concentration and / or a different metal content in the areas on the main area than in FIGS Areas on the facets of the wells.
  • the p-type semiconductor layer may be relative to the p-type semiconductor layer
  • Barrier structure and / or be structured to the barrier structure such that a passage of the holes on the
  • the p-conducting semiconductor layer is structured in such a way that the main surface of the active zone in plan view at least
  • the barrier structure is disposed within the recesses approximately between the p-type layer and the active region. Outside the recesses, the barrier structure in plan view is in particular at least
  • the barrier structure can be designed as a pure electron barrier.
  • the p-type semiconductor layer is a p-type semiconductor layer
  • the p-type semiconductor layer is formed such that it has the barrier structure only in the areas
  • the barrier structure outside the recesses is free from a covering by the p-type semiconductor layer.
  • the holes can be made of the p-type
  • Semiconductor layer are injected in large part or substantially exclusively via the facets in the active zone.
  • the p-type semiconductor layer is structured such that it has a plurality of islands, the islands being spaced apart in lateral directions.
  • the p-type semiconductor layer is not in this case
  • the islands may each cover one or more recesses. It is possible that the islands each have exactly one depression cover.
  • the p-type semiconductor layer may be formed exclusively in the recesses. In this case, since the main area of the active zone is free from being covered by the p-type semiconductor layer, injection of positively charged carriers from the p-type semiconductor layer over the main area into the active area is deliberately particularly difficult.
  • this has a contact layer, in particular
  • the contact layer is arranged approximately for the contacting of the p-type semiconductor layer. Preference is given to the contact layer, the p-type semiconductor layer and the barrier structure
  • an electrical resistance between the contact layer and the p-type semiconductor layer is less than an electrical resistance between the contact layer and the barrier structure.
  • the laterally spaced-apart islands of the p-type semiconductor layer can be electrically connected to one another. Due to the lower electrical resistance, positively charged charge carriers are furthermore preferred via the p-conducting semiconductor layer and the facets of the
  • Contact layer may be formed of a transparent electrically conductive oxide (TCO).
  • TCO transparent electrically conductive oxide
  • the device may comprise a further contact layer.
  • the barrier structure covers in plan view the main area of the active zone and is designed such that the
  • Hole barrier acts. However, it is also conceivable that the barrier structure simultaneously acts as an electron barrier.
  • the barrier structure is expediently arranged between the p-type semiconductor layer and the active zone.
  • first layer thickness and outside the wells that is, in areas on the main surface of the active zone.
  • second layer thickness are in particular set up in such a way that the positively charged charge carriers in the regions of the depressions can penetrate the barrier structure, in particular can tunnel through it and outside the depressions of the substrate
  • the first layer thickness is at least three times, preferably at least
  • the active zone is formed from a III-V compound semiconductor material.
  • the active zone has a plurality of alternately stacked GaN and InGaN layers.
  • the barrier structure may be doped with silicon at least in some areas.
  • the barrier structure is preferably formed from a plurality of successive semiconductor layers based on AlGaN and GaN or on AlGaN and InGaN.
  • a transition layer is applied to the growth substrate, wherein crystal defects in the transition layer for forming depressions in the semiconductor layer sequence are formed in particular by varying growth parameters.
  • Semiconductor layer sequence is applied to the transition layer such that the recesses of the
  • a barrier structure is formed on the active zone.
  • the p-type semiconductor layer and / or the barrier structure are formed such that during operation of the device, an injection of positively charged charge carriers over the
  • Main surface of the active zone in the active zone is specifically made difficult, so that an injection positively charged
  • Charge carrier is favored over the facets of the depressions in the active zone.
  • the semiconductor layer sequence is epitaxially grown on the growth substrate, for example by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) or metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD).
  • MOVPE metal organic vapor phase epitaxy
  • MOCVD metal-organic chemical vapor deposition
  • the pits are produced as V-pits or as V-defects in the transition layer, in the active zone and in the barrier structure.
  • transition layer depressions initially formed in the transition layer depressions continues, in particular, into the semiconductor layer sequence, for example into the active zone and into the barrier structure.
  • the transition layer is applied directly to a main surface of the growth substrate.
  • the growth substrate is preferably a sapphire substrate, in particular with a c-surface as the main surface.
  • grown layers such as the layers of the active zone, thus generally each have a c-face as
  • the pits are each bounded by about six or twelve facets formed by nonpolar or semi-polar surfaces.
  • Recesses are in this case usually with material of the layers of the semiconductor layer sequence or the
  • Such facets typically have a ⁇ 1-101> or ⁇ ll-22> orientation and are thus formed by (1-101) crystal face or (11-22) face.
  • a significantly lower layer thickness can be achieved on the facets than on the main surface, namely on the c surface. If the barrier structure is doped, such as p-doped, in the regions within the recesses due to the
  • the layers of the semiconductor layer sequence or the barrier structure can be formed such that the
  • barrier structure which contains a plurality of alternatingly stacked layers, for example on GaN and AlGaN-based layers, is additionally doped with Si, the barrier structure outside the depressions on the c surface acts as a hole barrier. Due to lower layer thickness and / or lower dopant concentration of
  • Barrier structure within the depressions may be the
  • Barrier structure continue to be designed such that holes can penetrate the barrier structure in the areas of the wells and can easily pass through the facets to the active zone.
  • the p-type semiconductor layer is applied to the barrier structure in such a way that the p-type semiconductor layer in
  • the material of the p-type semiconductor layer can be removed to partially expose the barrier structure in the regions outside the depressions.
  • the p-type semiconductor layer can be removed to partially expose the barrier structure in the regions outside the depressions.
  • the barrier structure is formed aluminum-containing.
  • the barrier structure is formed aluminum-containing.
  • GaN based layers can be at least one or a plurality of AlGaN-based layers interposed thereon based on GaN Layers on.
  • the GaN based layers can be
  • the barrier structure is to
  • Formation of the hole barrier preferably doped with Si.
  • the aluminum-containing barrier structure can serve as ⁇ tzstopp harsh.
  • the barrier structure is formed after the active zone and in front of the p-type semiconductor layer, wherein the
  • Barrier structure in the region of the recesses has a reduced layer thickness and to form a
  • Hole doping layer is selectively doped with Si such that injection of positively charged carriers across the major surface into the active zone is opposite to injection of positively charged carriers across the facets of the
  • Barrier structure be partially arranged in the wells. Outside and / or inside the recesses, the barrier structure may be completely separated from the p-type
  • the barrier structure in the regions outside the depressions that is to say, for example, on the main surface of the active zone or on the c-surface, to be free or completely free of coverage by the p-conducting semiconductor layer.
  • the method described above is particularly suitable for the production of a device described here. in the
  • Figure 1 is a schematic representation of a
  • Embodiment of a component Embodiment of a component.
  • FIG. 1 shows a component 10 which has a
  • Carrier 8 on which a semiconductor layer sequence 20 is arranged.
  • the carrier 8 may be a growth substrate on which the semiconductor layer sequence 20, for example
  • the semiconductor layer sequence 20 has an active zone 3, which is arranged between a first, approximately p-type semiconductor layer 1, and a second, approximately n-type semiconductor layer 2.
  • the active zone 3 in the operation of the device 10 for
  • the active zone 3 has a multiple quantum well structure with a plurality of alternately arranged
  • the number of quantum well layers 31 is at least 3 or at least 5 and is for example between
  • the quantum well layers 31 and 32 including 3 and 20, approximately between 3 and 15 inclusive, approximately 9.
  • the quantum well layers 31 and 32 including 3 and 20, approximately between 3 and 15 inclusive, approximately 9.
  • Quantum barrier layers 32 may be deposited on a III-V
  • Compound semiconductor material be based on about InGaN or on GaN.
  • positively charged charge carriers namely holes from the first semiconductor layer 1
  • negatively charged charge carriers namely electrons from the direction of the second semiconductor layer 2
  • a transition layer 6 is arranged.
  • the carrier 8 and the semiconductor layer sequence 20 a transition layer 6 is arranged.
  • Transition layer 6 a first undoped sublayer 61, such as an undoped GaN sublayer. Furthermore, the transition layer 6 may comprise a second n-doped sub-layer 62 and a third n-doped sub-layer 63, each of which may be a Si-doped GaN layer.
  • Doping concentration of the partial layers 62 and 63 is for example about 1.2 * 10 19 cm -3 .
  • the undoped sub-layer 61 is arranged between the carrier 8 and the n-doped sub-layer 62. However, it is not excluded that the undoped sub-layer 61 may contain a small amount of dopants which diffuse from the adjacent doped layers into the undoped sub-layer 61.
  • undoped sub-layer 61 can thus a small
  • Partial layer 61 is not intentionally doped in particular.
  • the carrier 8 is in particular a growth substrate which has a main surface 80.
  • the major surface 80 is a c-face, that is to say a (0001) crystal surface.
  • the support 8 has in particular
  • the lateral surfaces 81 of the elevations 82 may deviate from the ⁇ 0001> crystal orientation and therefore differ in particular from the c surface.
  • the carrier 8 has a vertical layer thickness which may be several hundred microns thick. For example, the layer thickness of the carrier 8 is about 1 mm.
  • the elevations 82 may each have a vertical height of a few micrometers,
  • the undoped sub-layer 61 of the transition layer 6 is preferably applied directly to the main surface 80 of the carrier 8, for example by means of an epitaxy process.
  • the undoped sub-layer 61 may have a vertical height of a few microns, about 4 microns.
  • the n-doped partial layers 62 and 63 of the transition layer 6 are preferably formed directly on the undoped partial layer 61.
  • the undoped sub-layer 61 becomes
  • the first undoped partial layer 61 and the second n-doped partial layer 62 form approximately one
  • the third sub-layer 63 may have an equal or higher concentration of dopants than the second sub-layer 62. It is possible that the n-doped sub-layers 62 and 63 in a common
  • dislocations are threading dislocations, of which a part propagates in the direction of growth of the semiconductor layers and thus can extend substantially perpendicular to the carrier 8. This effect is used specifically to
  • Particle layer 63 for example by setting suitable growth parameters such as growth rate, temperature or pressure and / or by adjusting the type and
  • Material ratio of the semiconductor material For example, the temperature, the proportion of H2 and / or the NH3
  • the recesses 4 formed usually have facets 41 extending from the c-surface
  • Such facets are thus (l-10x) crystal faces
  • Positions of the recesses 4 are determined in part by the elevations 82.
  • the recess 4 may be formed in lateral directions between two adjacent elevations 82. Deviating from the figure 1, however, the carrier 8 may be free of the elevations 82.
  • Semiconductor layer sequence 20 sets the structure of Recesses 4 of the transition layer 6 in the semiconductor layer sequence 20 continues.
  • the active zone 3 thus also has the structure of the recesses 4.
  • the depressions 4 each have a vertical depth.
  • the depth of the recesses 4 is between 100 nm and 1000 nm inclusive, in particular between 100 nm and 500 nm inclusive, approximately 200 nm or approximately 400 nm.
  • the component 10 has a barrier structure 5.
  • the barrier structure 5 has a plurality of first layers 51 and second layers 52 arranged alternately on top of each other. The number of the first layers 51 or the second layers 52 is about at least two,
  • the first layers 51 are based on or consist of AlGaN.
  • the second layers 52 are based on or consist of GaN.
  • the second layers 52 may comprise a minor amount, such as between 0.01% and 10% inclusive, or between 0.01% and 3% inclusive, or between 0.1% and 3% indium, inclusive
  • the barrier structure 5 borders
  • the barrier structure 5 can be formed on the active zone 3 by means of an epitaxy process and can thus be part of the semiconductor layer sequence 20.
  • the barrier structure 5 extends with the first layers 51 and the second layers 52 to production tolerances substantially in conformity with FIG Structure of the Active Zone 3.
  • the barrier structure 5 thus also has depressions 4. Except for
  • the barrier structure 5 have a c-surface as the main surface. In the regions of the depressions 4, the barrier structure 5 has, analogously to the active zone 3, facets whose orientation differs from that of the c surface.
  • the layer thickness here is to be understood as about the mean layer thickness.
  • the layer thickness of the respective layers of the active zone 3 and / or the barrier structure 5 on the facets may be at least three times, at least five times or at least ten times smaller than the layer thickness of the corresponding layers on the main surface.
  • the total layer thickness of the active zone 3 and / or the barrier structure 5 is correspondingly smaller on the facets than that on the main surface.
  • barrier structure 5 contains a metal, such as aluminum, and / or the barrier structure 5 is doped, then a metal, such as aluminum, and / or the barrier structure 5 is doped, then a metal, such as aluminum, and / or the barrier structure 5 is doped, then a metal, such as aluminum, and / or the barrier structure 5 is doped, then a metal, such as aluminum, and / or the barrier structure 5 is doped, then a metal, such as aluminum, and / or the barrier structure 5 is doped, then a metal, such as aluminum, and / or the barrier structure 5 is doped, then a metal, such as aluminum, and / or the barrier structure 5 is doped, then a metal, such as aluminum, and / or the barrier structure 5 is doped, then a metal, such as aluminum, and / or the barrier structure 5 is doped, then a metal, such as aluminum, and / or the barrier structure 5 is doped, then a metal, such as aluminum, and / or the barrier structure 5 is doped
  • Metal portion and / or the amount of dopant in the areas of the barrier structure 5 on the facets within the wells are much smaller than in the areas on the main surface 30 outside the wells 4. This ensures that positively charged charge carriers on the Facets 41 of the wells 4 more efficient than the
  • Main surface 30 of the active zone 3 in the active zone 3, in particular in different quantum well layers 31, are injected. Due to the reduced layer thickness on the facets, no degradation is to be expected with regard to the charge transport via the facets into the active zone 3. Due to the recesses 4, a spatial distance of the n-side quantum well layers 31 to a arranged in the recesses 41 portion of the p-type semiconductor layer 1 is also in comparison to a
  • the barrier structure 5 can be n-doped, p-doped or
  • the barrier structure 5 is preferably p-doped, for example doped with Mg. Since the barrier structure 5 facing away from the n-type semiconductor layer 2
  • the barrier structure 5 is preferably n-doped, for example doped with Si. Due to the different layer thicknesses of the barrier structure 5 on the main surface 30 of the active zone 3 and on the facets 41 of the recesses 4, the barrier structure 5 can be so
  • the Barrier structure 5 preferably free from a p-type doping, such as free from Mg doping. However, it is also possible that the barrier structure 5 partially n-doped and
  • Holes barrier and partially formed as an electron barrier are the first
  • Barrier structure 5 p-doped, while further first layers 51 and further second layers 52 of the barrier structure 5 are n-doped.
  • the barrier structure 5 in this case acts as an electron barrier and additionally in the regions on the main surface 30 of the active zone 3 as a hole barrier, wherein the holes in the regions of the depressions 4 continue to be injectable via the facets 41 into the active zone 3.
  • the barrier structure 5 can thus have varying vertical layer thickness and / or varying dopant concentration and / or varying metal content, such as aluminum content.
  • Such properties of the barrier structure 5 can be determined, for example, by means of SIMS (secondary ion mass spectroscopy, English: Secondary Ion Mass
  • the p-type semiconductor layer 1 is arranged exclusively in the depression 4 or in the depressions 4.
  • the p-type semiconductor layer 1 can completely fill the recesses 4.
  • the corresponding current flow concentrates more intensively on the regions of the depressions 4, whereby the injection is positively charged
  • the barrier structure 5 is arranged between the p-type semiconductor layer 1 and the active zone. Outside the wells 4 is the
  • Barrier structure 5 in particular free of a covering by the p-type semiconductor layer 1. An injection of positively charged charge carriers via the barrier structure 5 and over the main surface 30 of the active zone 3 is thus made specifically difficult or blocked.
  • the barrier structure 5 may even be formed as a pure electron barrier in this case.
  • p-type semiconductor layer 1 is formed to have a plurality of islands, the islands being laterally spaced from each other
  • the islands of the p-type semiconductor layer 1 each cover a plurality of the recesses 4.
  • the barrier structure 5 outside the depressions 4 may be partially covered by the p-type semiconductor layer 1, wherein it is also conceivable that at least 50 ⁇ 6 of a main surface of the barrier structure 5 remain free from being covered by the p-type semiconductor layer 1 ,
  • the structured p-type semiconductor layer 1 can be any structured p-type semiconductor layer 1 .
  • the p-type semiconductor layer 1 can be patterned approximately by an etching process, so that the barrier structure 5 is partially exposed.
  • the barrier structure 5 preferably contains one or a plurality of aluminum-containing layers, such as AlGaN layers, so that the barrier structure 5 as
  • Etch stop layer can serve.
  • the etching process can be simplified outside the epitaxy reactor, ie ex situ
  • ambient conditions can be selectively adjusted with respect to gas mixture, temperature or pressure.
  • the device has a contact layer 7.
  • the contact layer 7 is adjacent according to FIG. 1
  • Contact layer 7 the p-type semiconductor layer 1 and the barrier structure 5 are preferably formed with respect to their material selection such that an electrical
  • Resistance between the contact layer 7 and the p-type semiconductor layer 1 is lower than an electric
  • Quantum well layers 31 of the active zone are injected.
  • the barrier structure 5 can be any material. If the contact layer 7 and the barrier structure 5 are in electrical contact, then the barrier structure 5 can be any material.
  • the barrier structure 5 outside the wells 4 is partially or completely covered by the p-type semiconductor layer 1.
  • Barrier structure 5 may be formed p-type.
  • the barrier structure 5 may be formed by suitable doping such that they have a higher electrical contact resistance to the contact layer 7 than the p-type semiconductor layer 1.
  • Figure 2 shows a further embodiment of a
  • the p-type semiconductor layer 1 is formed such that it is in
  • the barrier structure 5 is preferably formed as a hole barrier.
  • the barrier structure 5 is preferably formed as a hole barrier.
  • the barrier structure 5 may be a superlattice structure of a plurality of alternately arranged AlGaN and GaN layers or of a plurality of alternating arranged AlGaN and InGaN have.
  • the p-type semiconductor layer 1, the barrier structure 5 and or the active zone 3 completely cover. If an injection of positively charged charge carriers over the c-surface into the active zone is specifically impeded or blocked, for example by arranging the p-type semiconductor layer exclusively in the depressions and / or by forming a hole barrier on the c-surface outside the
  • the corresponding current flow concentrates more intensively on the regions of the wells, which promotes the injection of positively charged carriers across the facets of the wells into different regions of the active zone, thus achieving a particularly uniform vertical current distribution in the active zone, thereby increasing efficiency of the component, even at high operating current, is particularly increased.

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Abstract

Es wird ein Bauelement (10) mit einer Halbleiterschichtenfolge (20) aufweisend eine p-leitende Halbleiterschicht (1), eine n-leitende Halbleiterschicht (2) und eine dazwischenliegende aktive Zone (3), wobei: - im Bereich der aktiven Zone, seitens der p-leitenden Halbleiterschicht, Vertiefungen (4) gebildet sind, die jeweils zu einer Hauptfläche (30) der aktiven Zone schräg verlaufende Facetten (41) aufweisen, wobei sich die p-leitende Halbleiterschicht in die Vertiefungen hinein erstreckt, - das Bauelement eine Barrierestruktur (5) aufweist, wobei die aktive Zone zwischen der Barrierestruktur und der n-leitenden Halbleiterschicht angeordnet ist, und - das Bauelement hinsichtlich der p-leitenden Halbleiterschicht und der Barrierestruktur derart ausgeführt ist, dass im Betrieb des Bauelements eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Hauptfläche in die aktive Zone gezielt erschwert ist, wodurch eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Facetten in die aktive Zone begünstigt ist. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements angegeben.

Description

Beschreibung
BAUELEMENT MIT ERHÖHTER EFFIZIENZ UND VERFAHREN ZU DESSEN
HERSTELLUNG
Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Bauelement mit
gleichmäßiger Stromeinprägung und Verfahren zur Herstellung eines Bauelements.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2016 208 717.7, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. die auf ein
aktive Zone
aufweisen,
r aktiven Z
one verteil
oelektronis
Bauelemente auftreten
Eine Aufgabe ist es, ein Bauelement mit erhöhter Effizienz anzugeben. Eine weitere Aufgabe ist es, ein effizientes
Verfahren zur Herstellung eines Bauelements anzugeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines Bauelements weist dieses eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone auf. Die aktive Zone ist insbesondere zur Erzeugung
elektromagnetischer Strahlung eingerichtet. Zum Beispiel weist die aktive Zone eine Mehrfachquantentopfstruktur mit einer Mehrzahl von Quantenbarriereschichten und
dazwischenliegenden Quantentopfschichten auf. Die aktive Zone ist zwischen einer p-Seite und einer n-Seite des Bauelements, etwa zwischen einer p-leitenden Halbleiterschicht und einer n-leitenden Halbleiterschicht der Halbleiterschichtenfolge angeordnet. Die Halbleiterschichtenfolge basiert insbesondere auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial . Es ist auch möglich, dass die Halbleiterschichtenfolge auf einem II-VI- Verbindungshalbleitermaterial basiert. Zum Beispiel ist das Bauelement ein optoelektronisches Bauelement, etwa eine Licht emittierende Diode (LED) . Zur Erzielung hoher Effizienz des Bauelements ist es
wünschenswert, positiv geladene Ladungsträger (Löcher) von der p-Seite und negative geladene Ladungsträger (Elektronen) von der n-Seite möglichst homogen in die aktive Zone
einzuprägen. Auch ist es besonders wünschenswert, ein
Gleichgewicht, etwa im Hinblick auf die Ladungsträgerdichte, zwischen den vergleichsweise schlechter beweglichen Löchern und den besser beweglichen Elektronen in den Quantenfilmen der aktiven Zone zu realisieren. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements ist im Bereich der aktiven Zone seitens der p-leitenden
Halbleiterschicht zumindest eine oder eine Mehrzahl von
Vertiefungen gebildet. In Richtung von der p-Seite zur n- Seite des Bauelements hin weist die Vertiefung insbesondere einen kleiner werdenden Querschnitt auf. In Schnittansicht ist die Vertiefung etwa V-förmig ausgestaltet. Zum Beispiel weist die Vertiefung die Form einer inversen Pyramide, beispielsweise mit hexagonalem Querschnitt und etwa sechs Facetten, einer inversen Stumpfpyramide, eines inversen
Kegels oder eines Stumpfkegels auf. Die Vertiefung oder die
Mehrzahl von Vertiefungen kann durch einen oder eine Mehrzahl von V-Defekten (englisch: V-Pits) gebildet sein. Ein solcher V-Defekt in der Halbleiterschichtenfolge kann durch Einstellen von geeigneten Wachstumsparametern wie Wachstumsrate bei einem Epitaxieprozess , Temperatur oder Druck in einem Epitaxie-Reaktor und/oder Art sowie
Konzentration der Dotierung und/oder Materialzusammensetzung etwa hinsichtlich des III-V- oder II-VI-Materialverhältnisses in den einzelnen Schichten der Halbleiterschichtenfolge erzeugt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements weist die Vertiefung eine Mantelfläche etwa in Form von Facetten auf, die insbesondere Innenwände der Vertiefung bilden. Die Facetten sind zueinander etwa schräg angeordnet. Zwei
benachbarte Facetten können also zueinander abgewinkelt sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass benachbarte Facetten
zumindest teilweise oder gar ganz stetig ineinander
übergehen, sodass die Facetten insgesamt eine im Wesentlichen stetig differenzierbare Innenfläche der Vertiefung bilden, etwa wenn die Vertiefung die Form eines inversen Kegels oder eines Stumpfkegels hat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements weist die aktive Zone eine Hauptfläche auf, die im Wesentlichen parallel zu einer c-Fläche der Halbleiterschichtenfolge verläuft. Insbesondere ist die Hauptfläche der aktiven Zone eine c-Fläche. Als c-Fläche, also (0001) -Fläche, wird eine Kristallfläche mit einer c-Richtung, also mit einer <0001>- Kristallorientierung, bezeichnet. Unter einer Hauptfläche einer Schicht wird allgemein eine Haupterstreckungsfläche der Schicht verstanden, wobei die Hauptfläche die
korrespondierende Schicht in einer vertikalen Richtung zumindest teilweise abschließt. Unter einer vertikalen
Richtung wird eine Richtung verstanden, die insbesondere senkrecht zu der Hauptfläche der aktiven Zone bzw. der Halbleiterschichtenfolge gerichtet ist. Insbesondere ist die vertikale Richtung parallel zu einer Wachstumsrichtung der etwa epitaktisch aufgewachsenen Halbleiterschichtenfolge des Bauelements. Unter einer lateralen Richtung wird eine
Richtung verstanden, die insbesondere parallel zu der
Hauptfläche der aktiven Zone bzw. der
Halbleiterschichtenfolge verläuft .
Zum Beispiel kann die Halbleiterschichtenfolge auf eine
Hauptfläche eines Substrats, etwa eines Aufwachssubstrats epitaktisch aufgebracht sein. Das Substrat kann ein
Saphirsubstrat sein. Bevorzugt ist die Hauptfläche des
Saphirsubstrats im Wesentlichen eine c-Fläche. Werden
Schichten der Halbleiterschichtenfolge auf die Hauptfläche des Substrats epitaktisch abgeschieden, weisen die jeweiligen Schichten der Halbleiterschichtenfolge in der Regel
entsprechend eine <000 l>-Orientierung auf. Die Schichten der Halbleiterschichtenfolge können somit eine c-Fläche, also eine (0001) -Fläche, als Hauptfläche aufweisen. Zum Beispiel ist die Hauptfläche der aktiven Zone eine c-Fläche. Bevorzugt ist die Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge senkrecht zu der Hauptfläche des Substrats beziehungsweise zu der c-Fläche gerichtet. Somit ist die Wachstumsrichtung insbesondere parallel zu der c-Richtung, also zu der <0001>- Kristallorientierung der Halbleiterschichtenfolge. Auch kann das Substrat aus Si oder Sic oder Glas gebildet sein. In diesem Fall kann die Hauptfläche des Substrats verschieden von einer c-Fläche sein. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements weist dieses eine Barrierestruktur auf. Insbesondere ist die
Barrierestruktur auf einer der n-leitenden Halbleiterschicht abgewandten Hauptfläche der aktiven Zone, also auf der p- Seite der aktiven Zone angeordnet. Die Barrierestruktur verläuft bevorzugt zumindest bereichsweise konform zu den Facetten der Vertiefung bzw. Vertiefungen. Die
Barrierestruktur kann eine Mehrzahl von alternierend
angeordneten ersten Schichten und zweiten Schichten
aufweisen. Die Materialien der ersten und zweiten Schichten sind hinsichtlich deren Bandlückenstruktur derart ausgewählt, dass die Barrierestruktur insbesondere als Barriere für
Ladungsträger ausgebildet ist. Insbesondere weist die
Barrierestruktur eine Mehrzahl von alternierend angeordneten AlGaN- und GaN-Schichten oder AlGaN- und InGaN-Schichten auf. Die Barrierestruktur kann als Teil der
Halbleiterschichtenfolge ausgebildet sein. Bevorzugt ist die Barrierestruktur derart ausgeführt, dass die Barrierestruktur einen Durchgang negativ und/oder positiv geladener Ladungsträger durch die Barrierestruktur hindurch verhindert oder zumindest erschwert. Es ist möglich, dass die Barrierestruktur etwa durch geeignete Dotierung oder durch Variierung der Schichtdicke derart ausgeführt ist, dass die
Barrierestruktur in den Bereichen innerhalb der Vertiefungen, das heißt etwa auf der Hauptfläche der aktiven Zone, nicht nur als Elektronenbarriere sondern auch als Löcherbarriere wirkt. In den Bereichen der Vertiefungen, das heißt etwa auf den Facetten der Vertiefungen, ist die Barrierestruktur insbesondere hinsichtlich deren Materialzusammmensetzung und/oder Dotierung und/oder Schichtdicke bevorzugt derart ausgebildet, dass die Löcher durch die Barrierestruktur hindurch zur aktiven Zone injizierbar sind. Durch eine derartige Ausgestaltung der Barrierestruktur wird die
Injektion positiv geladener Ladungsträger über die
Hauptfläche der aktiven Zone und somit über die c-Fläche in die aktive Zone gezielt erschwert bzw. blockiert, sodass sich der entsprechende Stromfluss verstärkt auf die Bereiche der Vertiefungen konzentriert, wodurch die Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Facetten der Vertiefungen in die aktive Zone begünstigt ist.
In mindestens einer Ausführungsform des Bauelements weist dieses eine Halbleiterschichtenfolge mit einer p-leitenden Halbleiterschicht, einer n-leitenden Halbleiterschicht und einer dazwischenliegenden aktiven Zone auf. Im Bereich der aktiven Zone seitens der p-leitenden Halbleiterschicht sind Vertiefungen gebildet, die jeweils zu einer Hauptfläche der aktiven Zone schräg verlaufende Facetten aufweisen. Die p- leitende Halbleiterschicht erstreckt sich in die Vertiefungen hinein. Das Bauelement weist eine insbesondere auf der der p- leitenden Halbleiterschicht zugewandten Hauptfläche der aktiven Zone angeordnete Barrierestruktur auf. Die aktive Zone ist somit zwischen der Barrierestruktur und der n- leitenden Halbleiterschicht angeordnet. Zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Verteilung der Ladungsträger in der aktiven Zone ist das Bauelement hinsichtlich der p-leitenden Halbleiterschicht und der Barrierestruktur derart ausgeführt, dass im Betrieb des Bauelements eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Hauptfläche in die aktive Zone gezielt erschwert ist, wodurch eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Facetten der Vertiefungen in die aktive Zone begünstigt ist.
Anhand der Vertiefungen können die Löcher aus der p-leitenden Halbleiterschicht über die etwa schräg ausgebildeten Facetten der Vertiefungen in verschiedene Bereiche der aktiven Zone, insbesondere in verschiedene in der vertikalen Richtung übereinander angeordneten Quantentopfschichten effektiv injiziert werden, wodurch die vergleichsweise ferner von der p-leitenden Halbleiterschicht angeordneten
Quantentopfschichten besser bestromt werden, da die Löcher zuvor etwa nicht durch die näher an der p-leitenden
Halbleiterschicht angeordneten Quantentopfschichten bzw.
Quantenbarriereschichten hindurch injiziert werden müssen.
Wird jedoch ein signifikanter Anteil der Löcher weiterhin außerhalb der Vertiefungen über die Hauptfläche der aktiven Zone, das heißt über die c-Fläche, in die aktive Zone
eingeprägt, kann eine besonders gleichmäßige Verteilung der Löcher über alle Quantentopfschichten der aktiven Zone nur schwer erzielt werden, da die Durchtrittswahrscheinlichkeit der über die Hauptfläche injizierten Löcher mit zunehmender Eindringtiefe in die aktiven Zone, das heißt mit wachsender Anzahl der Quantenbarriereschichten in der aktiven Zone, stark abnimmt. Wird die Injektion der Löcher über die
Hauptfläche in die aktive Zone gezielt erschwert bzw.
blockiert, können die in der aktiven Zone gelangten Löcher im Wesentlichen ausschließlich über die Facetten der
Vertiefungen in verschiedene Quantentopfschichten der aktiven Zone injiziert werden. Der Stromfluss in die aktive Zone wird daher in den Bereichen auf der c-Fläche gezielt verringert. Vielmehr konzentriert sich der Stromfluss verstärkt auf die Bereiche der Vertiefungen. Somit kann erzielt werden, dass die Dichte der Löcher über alle Quantentopfschichten, das heißt in der gesamten aktiven Zone, im Wesentlichen gleich bleibt. Aufgrund der gezielten Verhinderung bzw. Blockierung eines Durchtritts der Löcher über die Hauptfläche der aktiven Zone in die aktive Zone wird die Wahrscheinlichkeit der Injektion positiv geladener Ladungsträger in die n-seitige, ferner von der p-leitenden Halbleiterschicht angeordnete Quantentopfschichten erhöht, sodass die Ladungsträgerdichte hinsichtlich der Löcher in dem von der p-Seite beabstandeten Bereich der aktiven Zone gesteigert ist, wodurch die
Verteilung der Löcher in der aktiven Zone besonders homogen, nämlich insbesondere entlang der vertikalen Richtung, gestaltet ist und die Effizienz des Bauelements dadurch erhöht wird. Bei einer derartigen Gestaltung des Bauelements findet somit eine Homogenisierung der Ladungsträger zumindest in der lateralen Richtung statt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements ist dieses aufgrund der Anordnung und/oder der Beschaffenheit der p-leitenden Halbleiterschicht und/oder der Barrierestruktur derart ausgeführt, dass mindestens 80 %, bevorzugt mindestens 90 %, besonders bevorzugt mindestens 95 % der zur aktiven Zone gelangten positiv geladenen Ladungsträger über die
Facetten der Vertiefungen in die aktive Zone injizierbar sind. Beispielsweise kann die Injektion der Löcher über die Hauptfläche der aktiven Zone in die aktive Zone gezielt erschwert oder blockiert werden, wenn die Barrierestruktur in den Bereichen auf der Hauptfläche eine erhöhte Schichtdicke und/oder eine verschiedene Dotierkonzentration und/oder einen verschiedenen Metallgehalt aufweist als in den Bereichen auf den Facetten der Vertiefungen. Alternativ oder ergänzend können die p-leitende Halbleiterschicht relativ zu der
Barrierestruktur und/oder zu der Barrierestruktur derart strukturiert sein, dass ein Durchgang der Löcher über die
Hauptfläche der aktiven Zone im Vergleich zu einem Durchgang der Löcher über die Facetten der Vertiefungen in die aktive Zone erschwert ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements ist die p-leitende Halbleiterschicht derart strukturiert, dass die Hauptfläche der aktiven Zone in Draufsicht zumindest
bereichsweise frei von einer Bedeckung durch die p-leitende Halbleiterschicht ist. Die Barrierestruktur ist innerhalb der Vertiefungen etwa zwischen der p-leitenden Schicht und der aktiven Zone angeordnet. Außerhalb der Vertiefungen ist die Barrierestruktur in Draufsicht insbesondere zumindest
bereichsweise frei und bevorzugt ganz frei von der p- leitenden Schicht. Die Barrierestruktur kann dabei als reine Elektronenbarriere ausgebildet sein.
Insbesondere kann die p-leitende Halbleiterschicht
ausschließlich in den Vertiefungen angeordnet sein. Bevorzugt ist die p-leitende Halbleiterschicht derart ausgebildet, dass diese die Barrierestruktur lediglich in den Bereichen
innerhalb der Vertiefungen bedeckt und die Barrierestruktur außerhalb der Vertiefungen frei von einer Bedeckung durch die p-leitende Halbleiterschicht ist. In Draufsicht kann die
Barrierestruktur die aktive Zone vollständig, also auch in den Bereichen der Vertiefungen, bedecken. Da die p-leitende Halbleiterschicht an die Barrierestruktur insbesondere ausschließlich in den Bereichen innerhalb der Vertiefungen angrenzt und die Barrierestruktur weiterhin an die aktive Zone angrenzt, können die Löcher aus der p-leitenden
Halbleiterschicht zum großen Teil oder im Wesentlichen ausschließlich über die Facetten in die aktive Zone injiziert werden .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements ist die p-leitende Halbleiterschicht derart strukturiert, dass diese eine Mehrzahl von Inseln aufweist, wobei die Inseln in lateralen Richtungen voneinander beabstandet sind. Die p- leitende Halbleiterschicht ist in diesem Fall nicht
zusammenhängend ausgebildet. In Draufsicht können die Inseln jeweils eine oder mehrere Vertiefungen bedecken. Es ist möglich, dass die Inseln jeweils genau eine Vertiefung bedecken. Die p-leitende Halbleiterschicht kann ausschließlich in den Vertiefungen ausgebildet sein. Da die Hauptfläche der aktiven Zone in diesem Fall frei von einer Bedeckung durch die p-leitende Halbleiterschicht ist, ist eine Injektion positiv geladener Ladungsträger aus der p- leitenden Halbleiterschicht über die Hauptfläche in die aktive Zone gezielt besonders erschwert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements weist dieses eine Kontaktschicht auf, die insbesondere
bereichsweise an die p-leitende Schicht und bereichsweise an die Barrierestruktur angrenzt. Die Kontaktschicht ist etwa für die Kontaktierung der p-leitenden Halbleiterschicht eingerichtet. Bevorzugt sind die Kontaktschicht, die p- leitende Halbleiterschicht und die Barrierestruktur
hinsichtlich ihrer Materialauswahl derart ausgeführt, dass ein elektrischer Widerstand zwischen der Kontaktschicht und der p-leitenden Halbleiterschicht geringer ist als ein elektrischer Widerstand zwischen der Kontaktschicht und der Barrierestruktur. Mittels der Kontaktschicht können die voneinander lateral beanstandeten Inseln der p-leitenden Halbleiterschicht miteinander elektrisch verbunden werden. Aufgrund des geringeren elektrischen Widerstands werden positiv geladene Ladungsträger weiterhin bevorzugt über die p-leitende Halbleiterschicht und die Facetten der
Vertiefungen in die aktive Zone eingeprägt. Die
Kontaktschicht kann aus einem transparenten elektrisch leitfähigen Oxid (TCO) ausgebildet sein. Im Betrieb des Bauelements kann elektromagnetische Strahlung durch die Kontaktschicht hindurch abgestrahlt werden. Zur elektrischen Kontaktierung der n-leitenden Halbleiterschicht kann das Bauelement eine weitere Kontaktschicht aufweisen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements bedeckt die Barrierestruktur in Draufsicht die Hauptfläche der aktiven Zone und ist derart ausgebildet, dass die
Barrierestruktur außerhalb der Vertiefungen als
Löcherbarriere wirkt. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Barrierestruktur gleichzeitig als Elektronenbarriere wirkt. Die Barrierestruktur ist zweckmäßigerweise zwischen der p- leitenden Halbleiterschicht und der aktiven Zone angeordnet.
Insbesondere weist die Barrierestruktur innerhalb der
Vertiefungen, etwa in den Bereichen auf den Facetten, eine erste Schichtdicke und außerhalb der Vertiefungen, das heißt in Bereichen auf der Hauptfläche der aktiven Zone, eine zweite Schichtdicke auf. Die erste und zweite Schichtdicke sind insbesondere derart eingerichtet, dass die positiv geladenen Ladungsträger in den Bereichen der Vertiefungen die Barrierestruktur durchdringen, insbesondere durchtunneln können und außerhalb der Vertiefungen von der
Barrierestruktur blockiert werden. Zum Beispiel ist die erste Schichtdicke mindestens dreimal, bevorzugt mindestens
fünfmal, besonders bevorzugt mindestens zehnmal kleiner als die zweite Schichtdicke.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Bauelements ist die aktive Zone aus einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial ausgebildet. Zum Beispiel weist die aktive Zone eine Mehrzahl von alternierend übereinander angeordneten GaN- und InGaN- Schichten auf. Zur Ausbildung einer Löcherbarriere kann die Barrierestruktur zumindest bereichsweise mit Silizium dotiert sein. Bevorzugt ist die Barrierestruktur aus einer Mehrzahl von aufeinanderfolgenden auf AlGaN und GaN oder auf AlGaN und InGaN basierten Halbleiterschichten gebildet. In mindestens einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines oder einer Mehrzahl von Bauelementen jeweils mit einer Halbleiterschichtenfolge aufweisend eine p- leitende Halbleiterschicht, eine n-leitende Halbleiterschicht und eine dazwischenliegende aktive Zone wird ein
Aufwachssubstrat bereitgestellt. Eine Übergangsschicht wird auf das Aufwachssubstrat aufgebracht, wobei Kristalldefekte in der Übergangsschicht zur Ausbildung von Vertiefungen in der Halbleiterschichtenfolge insbesondere durch Variieren von Wachstumsparametern ausgebildet werden. Die
Halbleiterschichtenfolge wird auf die Übergangsschicht derart aufgebracht, dass sich die Vertiefungen von der
Übergangsschicht zumindest über die n-leitende
Halbleiterschicht und die gesamte aktive Zone fortsetzen, sodass die Vertiefungen jeweils zu einer Hauptfläche der aktiven Zone schräg verlaufende Facetten aufweisen. Es wird auf der aktiven Zone eine Barrierestruktur ausgebildet. Die p-leitende Halbleiterschicht und/oder die Barrierestruktur werden derart ausgebildet, dass im Betrieb des Bauelements eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die
Hauptfläche der aktiven Zone in die aktive Zone gezielt erschwert wird, sodass eine Injektion positiv geladener
Ladungsträger über die Facetten der Vertiefungen in die aktive Zone begünstigt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Halbleiterschichtenfolge auf dem Aufwachsubstrat epitaktisch aufgewachsen, etwa durch metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) bzw. metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) . Insbesondere werden die Vertiefungen als V-Pits bzw. als V-Defekte in der Übergangsschicht, in der aktiven Zone und in der Barrierestruktur erzeugt. Die Struktur der
zunächst in der Übergangsschicht ausgebildeten Vertiefungen setzt sich insbesondere in die Halbleiterschichtenfolge, etwa in die aktive Zone und in die Barrierestruktur, fort.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Übergangsschicht insbesondere unmittelbar eine Hauptfläche des Aufwachssubtrats aufgebracht. Das Aufwachssubstrat ist bevorzugt ein Saphirsubstrat insbesondere mit einer c-Fläche als Hauptfläche. Die Übergangsschicht und die darauf
aufgewachsenen Schichten, etwa die Schichten der aktiven Zone, weisen somit in der Regel jeweils eine c-Fläche als
Hauptfläche auf. Die Vertiefungen sind jeweils etwa von sechs oder zwölf Facetten begrenzt, die durch nichtpolare oder semipolare Flächen gebildet sind. Die Facetten der
Vertiefungen werden hierbei in der Regel mit Material der Schichten der Halbleiterschichtenfolge bzw. der
Barrierestruktur bedeckt. Solche Facetten haben in der Regel eine <1-101>- oder <ll-22>-Orientierung und sind somit durch (1-101) -Kristallfläche oder (11-22) -Kristallfläche gebildet. Durch gezielte Anpassung von Wachstumsbedingungen kann eine wesentlich geringere Schichtdicke auf den Facetten als auf der Hauptfläche, nämlich auf der c-Fläche, erzielt werden. Wird die Barrierestruktur dotiert, etwa p-dotiert, werden in den Bereichen innerhalb der Vertiefungen aufgrund der
Polarität der Facetten und geringerer Wachstumsrate auf den Facetten weniger Fremdatome in die Barrierestruktur
eingebettet. Mittels eines Epitaxieverfahrens, bei dem
Vertiefungen in der Übergangsschicht gezielt erzeugt werden, können die Schichten der Halbleiterschichtenfolge bzw. der Barrierestruktur derart ausgebildet werden, dass die
Schichtdicke dieser Schichten auf den Facetten, das heißt in den Bereichen der Vertiefungen, deutlich geringer ausgebildet werden als auf der jeweiligen Hauptfläche außerhalb der Vertiefungen, das heißt auf der c-Fläche. Dies führt zu dem technischen Effekt, dass Löcher über die Facetten der
Vertiefungen effizienter in die aktive Zone injiziert werden können als über die Hauptfläche der aktiven Zone. Wird die Barrierestruktur, die etwa eine Mehrzahl von alternierend übereinander angeordneten, zum Beispiel auf GaN und AlGaN basierten Schichten enthält, zusätzlich mit Si dotiert, wirkt die Barrierestruktur außerhalb der Vertiefungen auf der c- Fläche als Löcherbarriere. Aufgrund geringerer Schichtdicke und/oder geringerer Dotierstoffkonzentration der
Barrierestruktur innerhalb der Vertiefungen kann die
Barrierestruktur weiterhin derart ausgestaltet sein, dass Löcher die Barrierestruktur in den Bereichen der Vertiefungen durchdringen und vereinfacht über die Facetten zur aktiven Zone gelangen können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die p-leitende Halbleiterschicht auf die Barrierestruktur derart aufgebracht, dass die p-leitende Halbleiterschicht in
Draufsicht die Barrierestruktur bedeckt insbesondere
vollständig bedeckt und dabei die Vertiefungen auffüllt. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt kann das Material der p-leitenden Halbleiterschicht zur teilweisen Freilegung der Barrierestruktur in den Bereichen außerhalb der Vertiefungen abgetragen werden. Insbesondere wird die p-leitende
Halbleiterschicht teilweise selektiv geätzt. Der Ätzprozess kann außerhalb des Epitaxiereaktors, das heißt ex situ, vereinfacht durchgeführt werden. Besonders bevorzugt ist die Barrierestruktur aluminiumhaltig ausgebildet. Insbesondere weist die Barrierestruktur
zumindest eine oder eine Mehrzahl von auf AlGaN basierten Schichten mit dazwischen angeordneten auf GaN basierten Schichten auf. Die auf GaN basierten Schichten können
außerdem einen geringen Anteil an Indium oder einen geringen Aluminiumgehalt aufweisen. Die Barrierestruktur ist zur
Bildung der Löcherbarriere bevorzugt mit Si dotiert. Bei der Ätzung der p-leitenden Halbleiterschicht zur teilweisen
Freilegung der Barrierestruktur kann die aluminiumhaltige Barrierestruktur als Ätzstoppschicht dienen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Barrierestruktur nach der aktiven Zone und vor der p- leitenden Halbleiterschicht ausgebildet, wobei die
Barrierestruktur im Bereich der Vertiefungen eine verringerte Schichtdicke aufweist und zur Bildung einer
Löcherbarriereschicht mit Si derart selektiv dotiert wird, dass eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Hauptfläche in die aktive Zone gegenüber einer Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Facetten der
Vertiefungen in die aktive Zone erschwert wird. Dabei können sowohl die p-leitende Halbleiterschicht als auch die
Barrierestruktur bereichsweise in den Vertiefungen angeordnet sein. Außerhalb und/oder innerhalb der Vertiefungen kann die Barrierestruktur komplett von der p-leitenden
Halbleiterschicht bedeckt sein. Es ist möglich, dass die Barrierestruktur in den Bereichen außerhalb der Vertiefungen, das heißt etwa auf der Hauptfläche der aktiven Zone bzw. auf der c-Fläche, bereichsweise frei oder komplett frei von einer Bedeckung durch die p-leitende Halbleiterschicht ist.
Das oben beschriebene Verfahren ist für die Herstellung eines hier beschriebenen Bauelements besonders geeignet. Im
Zusammenhang mit dem Bauelement beschriebenen Merkmale können daher auch für das Verfahren herangezogen werden und
umgekehrt . Weitere Vorteile, bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Verfahrens sowie des Bauelements ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren 1 bis 2 erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels für ein Bauelement, und Figur 2 eine schematische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispiels für ein Bauelement.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur
Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt werden. In Figur 1 ist ein Bauelement 10 dargestellt, das einen
Träger 8 aufweist, auf dem eine Halbleiterschichtenfolge 20 angeordnet ist. Der Träger 8 kann ein Aufwachssubstrat sein, auf dem die Halbleiterschichtenfolge 20 zum Beispiel
epitaktisch aufgewachsen ist. Die Halbleiterschichtenfolge 20 weist eine aktive Zone 3 auf, die zwischen einer ersten, etwa p-leitenden Halbleiterschicht 1, und einer zweiten, etwa n- leitenden Halbleiterschicht 2, angeordnet ist. Insbesondere ist die aktive Zone 3 im Betrieb des Bauelements 10 zur
Erzeugung elektromagnetischer Strahlung eingerichtet.
Die aktive Zone 3 weist eine Mehrfachquantentopfstruktur mit einer Mehrzahl von alternierend angeordneten
Quantentopfschichten 31 und Quantenbarriereschichten 32 auf. Die Anzahl der Quantentopfschichten 31 beträgt mindestens 3 oder mindestens 5 und ist beispielsweise zwischen
einschließlich 3 und 20, etwa zwischen einschließlich 3 und 15, etwa 9. Die Quantentopfschichten 31 und die
Quantenbarriereschichten 32 können auf einem III-V-
Verbindungshalbleitermaterial , etwa auf InGaN beziehungsweise auf GaN basiert sein. Im Betrieb des Bauelements 10 werden positiv geladene Ladungsträger, nämlich Löcher aus der ersten Halbleiterschicht 1, und negativ geladene Ladungsträger, nämlich Elektronen aus Richtung der zweiten Halbleiterschicht 2, in die aktive Zone 3 etwa zur Strahlungserzeugung
eingeprägt .
Zwischen dem Träger 8 und der Halbleiterschichtenfolge 20 ist eine Übergangsschicht 6 angeordnet. Insbesondere weist die
Übergangsschicht 6 eine erste undotierte Teilschicht 61, etwa eine undotierte GaN-Teilschicht auf. Des Weiteren kann die Übergangsschicht 6 eine zweite n-dotierte Teilschicht 62 und eine dritte n-dotierte Teilschicht 63 aufweisen, die jeweils eine mit Si dotierte GaN-Schicht sein können. Die
Dotierkonzentration der Teilschichten 62 und 63 beträgt zum Beispiel ca. 1,2 * 1019 cm-3. Die undotierte Teilschicht 61 ist zwischen dem Träger 8 und der n-dotierten Teilschicht 62 angeordnet. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass die undotierte Teilschicht 61 eine geringe Menge an Dotierstoffen enthalten, die etwa aus den benachbarten dotierten Schichten in die undotierte Teilschicht 61 eindiffundieren. Die
undotierte Teilschicht 61 kann somit eine geringe
Konzentration an Dotierstoffen enthalten, wobei die
Teilschicht 61 insbesondere nicht absichtlich dotiert wird.
Der Träger 8 ist insbesondere ein Aufwachssubstrat , das eine Hauptfläche 80 aufweist. Im Fall eines Saphirsubstrats kann die Hauptfläche 80 eine c-Fläche, das heißt eine (0001)- Kristallfläche sein Der Träger 8 weist insbesondere
Erhebungen 82 auf der Hauptfläche 80 auf. Die Mantelflächen 81 der Erhebungen 82 können von der <0001>- Kristallorientierung abweichen und unterscheiden sich daher insbesondere von der c-Fläche. Der Träger 8 weist eine vertikale Schichtdicke auf, die einige Hundert Mikrometer dick sein kann. Zum Beispiel beträgt die Schichtdicke des Trägers 8 ca. 1 mm. Die Erhebungen 82 können jeweils eine vertikale Höhe von einigen Mikrometern aufweisen,
insbesondere zwischen einschließlich 1 und 5 Mikrometern, etwa 1,6 Mikrometer.
Die undotierte Teilschicht 61 der Übergangsschicht 6 wird bevorzugt unmittelbar auf die Hauptfläche 80 des Trägers 8 etwa mittels eines Epitaxie-Verfahrens aufgebracht. Die undotierte Teilschicht 61 kann eine vertikale Höhe von einigen Mikrometern, etwa ca. 4 Mikrometern aufweisen. Die n- dotierten Teilschichten 62 und 63 der Übergangsschicht 6 werden bevorzugt unmittelbar auf der undotierten Teilschicht 61 ausgebildet. Die undotierte Teilschicht 61 wird
ausgebildet, um insbesondere Halbleitermaterial über
möglichen Unebenheiten auf der Hauptfläche 80 des Trägers 8 zu koalisieren. Die erste undotierte Teilschicht 61 und die zweite n-dotierte Teilschicht 62 bilden etwa eine
Pufferschicht. Die dritte Teilschicht 63 kann eine gleiche oder höhere Konzentration an Dotierstoffen aufweisen als die zweite Teilschicht 62. Es ist möglich, dass die n-dotierten Teilschichten 62 und 63 in einem gemeinsamen
Verfahrensschritt ausgebildet werden.
Aufgrund unterschiedlicher Gitterkonstanten können jedoch mechanische Spannungen im Halbleitermaterial entstehen, die etwa zu Kristalldefekten wie zum Beispiel Versetzungen führen. Ein Typ von Versetzungen im Halbleitermaterial sind Fadenversetzungen (englisch: threading dislocations) , von denen ein Teil in Wachstumsrichtung der Halbleiterschichten propagiert und somit im Wesentlichen senkrecht zum Träger 8 verlaufen kann. Dieser Effekt wird gezielt genutzt, um
Vertiefungen 4 etwa in Form von V-Pits oder V-Defekten in der Übergangsschicht 6, insbesondere in der n-dotierten
Teilschicht 63, zu erzeugen, etwa durch Einstellen von geeigneten Wachstumsparametern wie Wachstumsrate, Temperatur oder Druck und/oder durch Einstellen der Art sowie
Konzentration der Dotierung und/oder der
Materialzusammensetzung etwa hinsichtlich
Materialverhältnisses des Halbleitermaterials. Zum Beispiel können die Temperatur, der Anteil an H2 und/oder der NH3-
Flussrate im Epitaxie-Reaktor entsprechend eingestellt bzw. variiert werden. Die gebildeten Vertiefungen 4 weisen in der Regel Facetten 41 auf, die sich von der c-Fläche
unterscheiden. Insbesondere weisen die Facetten 41 eine <1- 10x>- oder <ll-2y>-Orientierung mit {x, y} = {1, 2, 3} auf. Solche Facetten sind somit (l-10x) -Kristallflächen
beziehungsweise (ll-2y) -Kristallflächen mit {x, y} = {1, 2, 3}. Wird die Übergangsschicht 6 auf den Träger 8
abgeschieden, welcher eine im Wesentlichen ebene Hauptfläche 80 und zusätzliche Erhebungen 82 aufweist, so können die
Positionen der Vertiefungen 4 zum Teil durch die Erhebungen 82 festgelegt werden. In Draufsicht kann die Vertiefung 4 in lateralen Richtungen zwischen zwei benachbarten Erhebungen 82 ausgebildet sein. Abweichend von der Figur 1 kann der Träger 8 jedoch frei von den Erhebungen 82 sein.
Bei einem epitaktischen Aufwachsen der
Halbleiterschichtenfolge 20 setzt sich die Struktur der Vertiefungen 4 von der Übergangsschicht 6 in die Halbleiterschichtenfolge 20 fort. Die aktive Zone 3 weist somit ebenfalls die Struktur der Vertiefungen 4 auf.
Insbesondere weist die aktive Zone 3 außerhalb der
Vertiefungen 4 eine der Übergangsschicht 6 beziehungsweise dem Träger 8 abgewandte Hauptfläche 30 auf, die etwa eine c- Fläche ist. In den Bereichen der Vertiefungen 4 bedeckt die aktive Zone 3 die Facetten 41 insbesondere vollständig. Die Vertiefungen 4 weisen jeweils eine vertikale Tiefe auf.
Insbesondere ist die Tiefe der Vertiefungen 4 zwischen einschließlich 100 nm und 1000 nm, insbesondere zwischen einschließlich 100 nm und 500 nm, etwa circa 200 nm oder circa 400 nm. Das Bauelement 10 weist eine Barrierestruktur 5 auf. Die Barrierestruktur 5 weist eine Mehrzahl von alternierend aufeinander angeordneten ersten Schichten 51 und zweiten Schichten 52 auf. Die Anzahl der ersten Schichten 51 oder der zweiten Schichten 52 beträgt etwa mindestens zwei,
insbesondere mindestens drei oder mindestens fünf. Zum
Beispiel basieren die ersten Schichten 51 auf AlGaN oder bestehen aus diesem. Die zweiten Schichten 52 basieren etwa auf GaN oder bestehen aus diesem. Die zweiten Schichten 52 können einen geringen Anteil, etwa zwischen einschließlich 0,01 % und 10 % oder zwischen einschließlich 0,01 % und 3 %, oder zwischen einschließlich 0,1 % und 3 % an Indium
aufweisen. Insbesondere grenzt die Barrierestruktur 5
unmittelbar an die aktive Zone 3 an. Die Barrierestruktur 5 kann mittels eines Epitaxie-Verfahrens auf der aktiven Zone 3 ausgebildet und kann somit Teil der Halbleiterschichtenfolge 20 sein. In der Figur 1 verläuft die Barrierestruktur 5 mit den ersten Schichten 51 und den zweiten Schichten 52 bis auf Herstellungstoleranzen im Wesentlichen konform zu der Struktur der aktiven Zone 3. Die Barrierestruktur 5 weist somit ebenfalls Vertiefungen 4 auf. Außerhalb der
Vertiefungen 4 kann die Barrierestruktur 5 eine c-Fläche als Hauptfläche aufweisen. In den Bereichen der Vertiefungen 4 weist die Barrierestruktur 5 analog zu der aktiven Zone 3 Facetten auf, deren Orientierung sich von der der c-Fläche unterscheidet .
Die Schichten auf den Facetten weisen aufgrund zur
Hauptfläche und zu den Facetten einstellbar unterschiedlicher Wachstumsraten der jeweiligen Schichten der aktiven Zone 3 und/oder der Barrierestruktur 5 eine wesentlich geringere Schichtdicke auf. Mit anderen Worten weisen die
entsprechenden Schichten in den Bereich der Vertiefungen 4 insgesamt eine deutlich geringere Schichtdicke auf als auf der Hauptfläche, nämlich auf der c-Fläche außerhalb der
Vertiefungen 4. Im Zweifel ist die Schichtdicke hier etwa als mittlere Schichtdicke zu verstehen. Insbesondere kann die Schichtdicke der jeweiligen Schichten der aktiven Zone 3 und/oder der Barrierestruktur 5 auf den Facetten mindestens dreimal, etwa mindestens fünfmal oder mindestens zehnmal kleiner sein als die Schichtdicke der korrespondierenden Schichten auf der Hauptfläche. Die Gesamtschichtdicke der aktiven Zone 3 und/oder der Barrierestruktur 5 ist auf den Facetten entsprechend kleiner als die auf der Hauptfläche.
Enthält die Barrierestruktur 5 ein Metall, etwa Aluminium, und/oder ist die Barrierestruktur 5 dotiert, können ein
Metallanteil und/oder die Menge des Dotierstoffes in den Bereichen der Barrierestruktur 5 auf den Facetten innerhalb der Vertiefungen viel kleiner sein als in den Bereichen auf der Hauptfläche 30 außerhalb der Vertiefungen 4. Dadurch wird erzielt, dass positiv geladene Ladungsträger über die Facetten 41 der Vertiefungen 4 effizienter als über die
Hauptfläche 30 der aktiven Zone 3 in die aktive Zone 3, insbesondere in verschiedene Quantentopfschichten 31, injiziert werden. Aufgrund verringerter Schichtdicke auf den Facetten ist zugleich keine Degradierung hinsichtlich des Ladungstransports über die Facetten in die aktive Zone 3 zu erwarten. Aufgrund der Vertiefungen 4 ist außerdem ein räumlicher Abstand der n-seitigen Quantentopfschichten 31 zu einem in den Vertiefungen 41 angeordneten Teilbereich der p- leitenden Halbleiterschicht 1 im Vergleich zu einem
möglicherweise außerhalb der Vertiefungen 41 angeordneten weiteren Teilbereich der p-leitenden Halbleiterschicht 1 deutlich geringer. Die Barrierestruktur 5 kann n-dotiert, p-dotiert oder
bereichsweise n-dotiert und bereichsweise p-dotiert sein. Als reine Elektronenbarriere ist die Barrierestruktur 5 bevorzugt p-dotiert, etwa mit Mg dotiert. Da die Barrierestruktur 5 auf der der n-leitenden Halbleiterschicht 2 abgewandten
Hauptfläche 30 der aktiven Zone 3 angeordnet ist, wird ein Durchgang negativ geladener Ladungsträger von der aktiven Zone 3 zu der p-leitender Halbleiterschicht 1 erschwert bzw. verhindert. Als reine Löcherbarriere ist die Barrierestruktur 5 bevorzugt n-dotiert, etwa mit Si dotiert. Aufgrund der unterschiedlichen Schichtdicken der Barrierestruktur 5 auf der Hauptfläche 30 der aktiven Zone 3 und auf den Facetten 41 der Vertiefungen 4 kann die Barrierestruktur 5 derart
ausgestaltet sein, dass ein Durchgang der Löcher von der Barrierestruktur 5 über die Hauptfläche 30 in die aktive Zone blockiert bzw. erschwert ist, während die Löcher in den
Bereichen innerhalb der Vertiefungen 4 die Barrierestruktur 5 durchdringen und über die Facetten 41 in die aktive Zone 3 gelangen können. Als reine Löcherbarriere ist die Barrierestruktur 5 bevorzugt frei von einer p-Dotierung, etwa frei von einer Mg-Dotierung . Es ist jedoch auch möglich, dass die Barrierestruktur 5 bereichsweise n-dotiert und
bereichsweise p-dotiert und somit bereichsweise als
Löcherbarriere und bereichsweise als Elektronenbarriere ausgebildet ist. Zum Beispiel sind einige der ersten
Schichten 51 und der zweiten Schichten 52 der
Barrierestruktur 5 p-dotiert, während weitere erste Schichten 51 und weitere zweite Schichten 52 der Barrierestruktur 5 n- dotiert sind. Die Barrierestruktur 5 wirkt in diesem Fall als Elektronenbarriere und zusätzlich in den Bereichen auf der Hauptfläche 30 der aktiven Zone 3 als Löcherbarriere, wobei die Löcher in den Bereichen der Vertiefungen 4 weiterhin über die Facetten 41 in die aktive Zone 3 injizierbar sind.
Entlang der lateralen Richtung kann die Barrierestruktur 5 somit variierende vertikale Schichtdicke und/oder variierende Dotierstoffkonzentration und/oder variierenden Metallgehalt, etwa Aluminiumgehalt aufweisen. Solche Eigenschaften der Barrierestruktur 5 können etwa mittels SIMS (Sekundärionen- Massenspektroskopie, englisch: Secondary Ion Mass
Spectroscopy) und TEM (Transmissionselektronenmikroskopie, englisch: Transmission Electron Microscopy) am Bauelement nachgewiesen werden.
In der Figur 1 ist die p-leitende Halbleiterschicht 1 ausschließlich in der Vertiefung 4 bzw. in den Vertiefungen 4 angeordnet. Die p-leitende Halbleiterschicht 1 kann dabei die Vertiefungen 4 vollständig auffüllen. Somit konzentriert sich der entsprechende Stromfluss verstärkt auf die Bereiche der Vertiefungen 4, wodurch die Injektion positiv geladener
Ladungsträger über die Facetten 41 der Vertiefungen 4 in die aktive Zone 3, insbesondere in verschiedene vertikal beanstandete Quantentopfschichten 31, besonders begünstigt ist. In den Vertiefungen 4 ist die Barrierestruktur 5 zwischen der p-leitenden Halbleiterschicht 1 und der aktiven Zone angeordnet. Außerhalb der Vertiefungen 4 ist die
Barrierestruktur 5 insbesondere frei von einer Bedeckung durch die p-leitende Halbleiterchicht 1. Eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Barrierestruktur 5 und über die Hauptfläche 30 der aktiven Zone 3 wird somit gezielt erschwert bzw. blockiert. Die Barrierestruktur 5 kann in diesem Fall sogar als reine Elektronenbarriere ausgebildet sein .
Zum Beispiel ist p-leitende Halbleiterschicht 1 derart ausgebildet, dass diese eine Mehrzahl von Inseln aufweist, wobei die Inseln in lateraler Richtung voneinander
beabstandet sind. In Draufsicht können die Inseln der p- leitenden Halbleiterschicht 1 jeweils genau eine der
Vertiefungen 4 bedecken. Abweichend davon ist es möglich, dass die Inseln der p-leitenden Halbleiterschicht 1 jeweils eine Mehrzahl der Vertiefungen 4 bedecken. In diesem Fall kann die Barrierestruktur 5 außerhalb der Vertiefungen 4 teilweise von der p-leitenden Halbleiterschicht 1 bedeckt sein, wobei es auch denkbar ist, dass mindestens 50 ~6 einer Hauptfläche der Barrierestruktur 5 frei von einer Bedeckung durch die p-leitende Halbleiterschicht 1 bleiben.
Die strukturierte p-leitende Halbleiterschicht 1 kann
zunächst durch ein flächiges Aufbringen des entsprechenden Halbleitermaterials auf die Barrierestruktur 5 aufgebracht werden. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt kann die p- leitende Halbleiterschicht 1 etwa durch einen Ätzvorgang strukturiert werden, sodass die Barrierestruktur 5 teilweise freigelegt wird. Bevorzugt enthält die Barrierestruktur 5 eine oder eine Mehrzahl von aluminiumhaltigen Schichten, etwa AlGaN-Schichten, sodass die Barrierestruktur 5 als
Ätzstoppschicht dienen kann. Der Ätzprozess kann außerhalb des Epitaxiereaktors, das heißt ex situ, vereinfacht
durchgeführt werden. Alternativ ist es auch möglich, die
Strukturierung der p-leitenden Halbleiterschicht in situ, das heißt innerhalb des Epitaxiereaktors, durchzuführen, etwa während der MOVPE-Phase durch spezielle Wahl der
Wachstumsparameter. Zum Beispiel können Umgebungsbedingungen in Bezug auf Gasgemisch, Temperatur oder Druck gezielt eingestellt werden.
Zur elektrischen Kontaktierung der p-leitenden
Halbleiterschicht 1 weist das Bauelement eine Kontaktschicht 7 auf. Die Kontaktschicht 7 grenzt gemäß Figur 1
bereichsweise an die p-leitende Halbleiterschicht 1 und bereichsweise an die Barrierestruktur 5 an. Die
Kontaktschicht 7, die p-leitende Halbleiterchicht 1 und die Barrierestruktur 5 sind hinsichtlich ihrer Materialauswahl bevorzugt derart ausgebildet, dass ein elektrischer
Widerstand zwischen der Kontaktschicht 7 und der p-leitenden Halbleiterschicht 1 geringer ist als ein elektrischer
Widerstand zwischen der Kontaktschicht 7 und der
Barrierestruktur 5. Damit wird erzielt, dass positiv geladene Ladungsträger bevorzugt über die p-leitende Halbleiterchicht 1 und über die Facetten 41 in verschiedene
Quantentopfschichten 31 der aktiven Zone injiziert werden.
Stehen die Kontaktschicht 7 und die Barrierestruktur 5 im elektrischen Kontakt, so kann die Barrierestruktur 5
zumindest bereichsweise als Löcherbarriere ausgebildet sein, sodass eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Barrierestruktur 5 und über die Hauptfläche 30 in die aktive Zone gezielt erschwert oder blockiert wird. Abweichend von der Figur 1 ist es möglich, dass die Barrierestruktur 5 außerhalb der Vertiefungen 4 teilweise oder vollständig durch die p-leitende Halbleiterchicht 1 bedeckt ist. Die
Barrierestruktur 5 kann p-leitend ausgebildet sein.
Insbesondere kann die Barrierestruktur 5 durch geeignete Dotierung derart ausgebildet sein, dass diese einen höheren elektrischen Kontaktwiderstand zu der Kontaktschicht 7 aufweisen als die p-leitende Halbleiterschicht 1.
Abweichend von der Figur 1 ist es weiterhin denkbar, dass eine schlecht elektrisch leitfähige oder eine elektrisch isolierende Schicht außerhalb der Vertiefungen 4 in der vertikalen Richtung zwischen der Kontaktschicht 7 und der Barrierestruktur 5 angeordnet ist. Ein unmittelbarer
elektrischer Kontakt zwischen der Kontaktschicht 7 und der Barrierestruktur 5 in den Bereichen außerhalb der
Vertiefungen 4 kann somit verhindert werden.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein
Bauelement. Das in der Figur 2 dargestellte
Ausführungsbeispiel für ein Bauelement entspricht im
Wesentlichen dem in der Figur 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist die p-leitende Halbleiterschicht 1 derart ausgebildet, dass diese in
Draufsicht die Barrierestruktur 5 sowohl in den Bereichen innerhalb als auch in den Bereichen außerhalb der
Vertiefungen 4 bedeckt. In den Bereichen außerhalb der
Vertiefungen 4 ist die Barrierestruktur 5 vorzugsweise als Löcherbarriere ausgebildet. Insbesondere ist die
Barrierestruktur 5 n-dotiert, beispielsweise mit Si dotiert. Die Barrierestruktur 5 kann dabei eine Übergitterstruktur aus einer Mehrzahl von alternierend angeordneten AlGaN- und GaN- Schichten oder aus einer Mehrzahl von alternierend angeordneten AlGaN- und InGaN aufweisen. In Draufsicht kann die p-leitende Halbleiterschicht 1 die Barrierestruktur 5 und oder die aktive Zone 3 vollständig bedecken. Wird eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die c-Fläche in die aktive Zone gezielt erschwert bzw. blockiert, etwa durch Anordnung der p-leitenden Halbleiterschicht ausschließlich in den Vertiefungen und/oder durch Ausbildung einer Löcherbarriere auf der c-Fläche außerhalb der
Vertiefungen, konzentriert sich der entsprechende Stromfluss verstärkt auf die Bereiche der Vertiefungen, wodurch die Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Facetten der Vertiefungen in verschiedene Bereiche der aktive Zone begünstigt wird, sodass eine besonders gleichmäßig vertikale Stromverteilung in der aktiven Zone erzielt ist, wodurch die Effizienz des Bauelements, auch bei hohem Betriebstrom, besonders erhöht ist.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung der Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Die Erfindung umfasst vielmehr jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Ansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Ansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugs zeichenliste
10 Bauelement 1 p-leitende Halbleiterschicht
2 n-leitende Halbleiterschicht
3 aktive Zone
30 Hauptfläche der aktiven Zone
31 QuantentopfSchicht
32 Quantenbarriereschicht
4 Vertiefung/ V-Pit
41 Facette der Vertiefung
5 Barrierestruktur
51 erste Schicht der Barrierestruktur
52 zweite Schicht der Barrierestruktur 6 Übergangsschicht
61 erste Teilschicht der Übergangsschicht
62 zweite Teilschicht der Übergangsschicht
63 dritte Teilschicht der Übergangsschicht 7 Kontaktschicht
8 Träger/ Substrat/ Aufwachssubstrat
80 Hauptfläche des Trägers
81 Mantelfläche der Erhebungen des Trägers 82 Erhebungen des Trägers

Claims

Patentansprüche
1. Bauelement (10) mit einer Halbleiterschichtenfolge (20) aufweisend eine p-leitende Halbleiterschicht (1), eine n- leitende Halbleiterschicht (2) und eine dazwischenliegende aktive Zone (3) , wobei
- im Bereich der aktiven Zone (3) seitens der p-leitenden Halbleiterschicht (1) Vertiefungen (4) gebildet sind, die jeweils zu einer Hauptfläche (30) der aktiven Zone (3) schräg verlaufende Facetten (41) aufweisen, wobei sich die p-leitende Halbleiterschicht (1) in die
Vertiefungen (4) hinein erstreckt,
- das Bauelement eine Barrierestruktur (5) aufweist, wobei die aktive Zone (3) zwischen der Barrierestruktur (5) und der n-leitenden Halbleiterschicht (2) angeordnet ist, und
- das Bauelement (10) hinsichtlich der p-leitenden
Halbleiterschicht (1) und der Barrierestruktur (5) derart ausgeführt ist, dass im Betrieb des Bauelements
(10) eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Hauptfläche (30) in die aktive Zone (3) gezielt erschwert ist, wodurch eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Facetten (41) in die aktive Zone
(3) begünstigt ist.
2. Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem die Hauptfläche (30) der aktiven Zone (3) eine c- Fläche, nämlich einer (0001) -Kristallfläche, der
Halbleiterschichtenfolge (20) ist.
3. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauelement (10) aufgrund der Anordnung und/oder der Beschaffenheit der p-leitenden Halbleiterschicht (1) und/oder der Barrierestruktur (5) derart ausgeführt ist, dass
mindestens 80 % der zur aktiven Zone (3) gelangten positiv geladenen Ladungsträger über die Facetten (41) der
Vertiefungen (4) in die aktive Zone (3) injizierbar sind.
4. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die p-leitende Halbleiterschicht (1) derart
strukturiert ist, dass die Hauptfläche (31) der aktiven Zone
(3) in Draufsicht zumindest bereichsweise frei von einer Bedeckung durch die p-leitende Halbleiterschicht (1) ist.
5. Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem die p-leitende Halbleiterschicht (1) derart
strukturiert ist, dass diese eine Mehrzahl von Inseln
aufweist, wobei die Inseln in lateraler Richtung voneinander beabstandet sind und jeweils in Draufsicht zumindest eine der Vertiefungen (4) bedecken.
6. Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 5,
bei dem die Barrierestruktur (5) innerhalb der Vertiefungen
(4) zwischen der p-leitenden Halbleiterschicht (1) und der aktiven Zone (3) angeordnet ist und außerhalb der
Vertiefungen (4) in Draufsicht zumindest bereichsweise frei von einer Bedeckung durch die p-leitende Halbleiterschicht (1) ist.
7. Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
das eine Kontaktschicht (7) aufweist, die bereichsweise an die p-leitende Halbleiterschicht (1) und bereichsweise an die Barrierestruktur (5) angrenzt, wobei die Kontaktschicht (7), die p-leitende Halbleiterschicht (1) und die Barrierestruktur
(5) hinsichtlich ihrer Materialauswahl derart ausgeführt sind, dass ein elektrischer Widerstand zwischen der Kontaktschicht (7) und der p-leitenden Halbleiterschicht (1) geringer ist als ein elektrischer Widerstand zwischen der Kontaktschicht (7) und der Barrierestruktur (5). 8. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Barrierestruktur (5) in Draufsicht die
Hauptfläche (30) der aktiven Zone (3) bedeckt und derart ausgebildet ist, dass die Barrierestruktur (5) außerhalb der Vertiefungen (4) als Löcherbarriere wirkt.
9. Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem die Barrierestruktur (5) auf GaN basiert und
zumindest bereichsweise mit Silizium dotiert ist. 10. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Barrierestruktur (5) innerhalb der Vertiefungen (4) eine erste Schichtdicke und außerhalb der Vertiefungen
(4) eine zweite Schichtdicke aufweist, wobei die erste und die zweite Schichtdicke derart ausgebildet sind, dass die positiv geladenen Ladungsträger in den Bereichen der
Vertiefungen (4) die Barrierestruktur (5) durchdringen können und außerhalb der Vertiefungen (4) von der Barrierestruktur
(5) blockiert werden, und wobei die erste Schichtdicke mindestens dreimal kleiner ist als die zweite Schichtdicke.
11. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die aktive Zone (3) auf einem III-V- Verbindungshalbleitermaterial basiert und eine
Mehrfachquantentopfstruktur mit einer Mehrzahl von
Quantenbarriereschichten (32) und dazwischenliegenden aktiven Quantentopfschichten (31) aufweist.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Barrierestruktur (5) aus einer Mehrzahl von aufeinanderfolgenden auf AlGaN und GaN basierten
Halbleiterschichten gebildet ist.
13. Verfahren zur Herstellung eines Bauelements (10) mit einer Halbleiterschichtenfolge (20) aufweisend eine p- leitende Halbleiterschicht (1), eine n-leitende
Halbleiterschicht (2) und eine dazwischenliegende aktive Zone (3) mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen eines Aufwachssubstrats (8);
- Aufbringen einer Übergangsschicht (6) auf das
Aufwachssubstrat (8), wobei Kristalldefekte in der
Übergangsschicht (6) zur Ausbildung von Vertiefungen (4) in der Halbleiterschichtenfolge (20) ausgebildet werden;
- Aufbringen der Halbleiterschichtenfolge (20) auf die
Übergangsschicht (6) derart, dass sich die Vertiefungen (4) von der Übergangsschicht (6) zumindest in die n- leitende Halbleiterschicht (2) und die gesamte aktive Zone (3) fortsetzen, sodass die Vertiefungen (4) jeweils zu einer Hauptfläche (30) der aktiven Zone (3) schräg verlaufende Facetten (41) aufweisen;
- Ausbilden einer Barrierestruktur (5) auf der aktiven
Zone; und
- Ausbilden der p-leitenden Halbleiterschicht (1) und/oder der Barrierestruktur (5) derart, dass im Betrieb des Bauelements (10) eine Injektion positiv geladener
Ladungsträger über die Hauptfläche (30) in die aktive Zone (3) gezielt erschwert wird, sodass eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Facetten (41) in die aktive Zone (3) begünstigt ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Übergangsschicht (6) auf eine c-Fläche, nämlich auf eine (0001) -Kristallfläche, des Aufwachssubtrats (8) aufgebracht wird, und die Halbleiterschichtenfolge (20) derart ausgebildet wird, dass die Hauptfläche (30) der aktiven Zone (3) als c-Fläche ausgebildet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14,
wobei die p-leitende Halbleiterschicht (1) auf die
Barrierestruktur (5) derart aufgebracht wird, dass die p- leitende Halbleiterschicht (1) in Draufsicht die
Barrierestruktur (5) bedeckt und dabei die Vertiefungen (4) auffüllt, wobei Material der p-leitenden Halbleiterschicht (1) in einem nachfolgenden Verfahrensschritt zur teilweisen Freilegung der Barrierestruktur (5) außerhalb der
Vertiefungen (4) abgetragen wird.
16. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem die Barrierestruktur (5) aluminiumhaltig ist, wobei die p-leitende Halbleiterschicht (1) zur teilweisen
Freilegung der Barrierestruktur (5) geätzt wird und die aluminiumhaltige Barrierestruktur (5) dabei als
Ätzstoppschicht dient.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
bei dem die Barrierestruktur (5) nach der aktiven Zone (3) und vor der p-leitenden Halbleiterschicht (1) ausgebildet wird, wobei die Barrierestruktur (5) im Bereich der
Vertiefungen (4) eine verringerte Schichtdicke aufweist und zur Bildung einer Löcherbarriereschicht mit Si derart
selektiv dotiert wird, dass eine Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Hauptfläche (31) in die aktive Zone (3) gegenüber einer Injektion positiv geladener Ladungsträger über die Facetten (41) der Vertiefungen (4) in die aktive Zone (3) erschwert wird.
PCT/EP2017/062000 2016-05-20 2017-05-18 Bauelement mit erhöhter effizienz und verfahren zu dessen herstellung WO2017198776A1 (de)

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